CN1314780A - 高生产率的整树采伐方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可连续地进行砍伐和堆积树木(12)的树木采伐机(10、10’)和使用这种采伐机的方法。所述采伐机(10、10’)具有一个框架(20),所述框架具有一个切割区和一个细长的堆积区。树木伐断装置安装在框架的一端,带有堆积臂(72)的连续导轨(64)安装在框架上。所述的臂(72)沿着导轨(64)相互间隔相等的距离,每个臂(72)在沿着导轨的连续循环回路上运动。在使用时,采伐机与待伐的一排树对齐。当伐断装置(14、140)将第一棵树伐断时,堆积臂(72)定位在该树的后面并将其运送到堆积区后部最适当的地方。当采伐机运动经过这排树时,这排树中的每一棵树就被伐断并输送到堆积区后部的最适当的地方。

Description

高生产率的整树采伐方法和设备

本申请要求1998.6.8申请的美国临时申请60/088470的优先权。

本发明涉及一种快速的树木采伐装置和方法。具体的是，涉及一种可连续地快速而高效地砍伐大量树木并将这些砍伐的树木堆积在一起的树木采伐装置和方法。

发明背景

从80年代末期起，就迫切需要一种经济可行的可连续采伐树木的方法。需要使用很少量的资源成本就可快速而高效地采伐树木。这种高效率对于那些树木成排种植且种植之后很快就进行采伐的林场来说是梦寐以求的，在这些林场中，每年每英亩土地可生产大量的木材，但每棵树只有很少的可用之材。

一些发明人已尝试着提高采伐和堆积所采树木的效率。例如，Kurelek的US5697412公开了一种安装在臂式起重车的起重臂上的伐木装置。该装置包括切割装置和靠近该切割装置用于堆积少量所伐断的树木的较小的堆积区。

然而，这种伐木装置对于采伐象林场这样具有大量树木的林地是不适用的。特别是，这种砍伐/堆积装置不能进行连续的砍伐和堆积。操作者首先必须将伐木装置置于所要砍伐的树的附近，控制砍伐装置来砍伐树木，然后，在砍另一棵树之前，控制聚束装置将所砍的树移到伐木装置的小的堆积区中。对于每一棵要砍的树必须重复进行这一过程。而且，由于这种结构的重量限制以及其堆积区较小，因此，所堆积的树木必须很快地从堆积区中移出去，这进一步地增加了采伐一组树木所需的时间。

因此，尽管其对现有的树木采伐和收集装置和方法进行了改进，但仍然需要一种可连续地在有限的时间内同步、快速且在需要的情况下可自动地进行采伐和堆积大量树木的采伐装置和方法。而且，需要一种不必中止采伐过程就可清空堆积区的树木采伐装置。另外，还需要一种在不产生大量锯末且不依赖于复杂设备来使锯片旋转或驱动液压剪的情况下就可伐断树木的树木采伐装置。

发明概述

本发明首要的目的就是实现上述需要。

本发明涉及一种可连续地砍伐和堆积树木的树木采伐机和一种使用这种采伐机的方法。所述采伐机具有一个框架，所述框架具有一个切割区和一个大的伸长的堆积区。树木伐断装置安装在框架的一端，连续导轨从切割区延伸到堆积区的后部，所述连续导轨具有安装在其上的堆积臂。所述的臂沿着导轨相互间隔开相等的距离，每个臂在沿着导轨的连续循环回路上运动，从而使其从切割区运动到堆积区。

树木采伐机与一排待伐树木对齐。当伐断装置将第一棵树伐断时，堆积臂定位在该树的后面并将其运送到堆积区后部最适当的地方。当采伐机沿成排的树行进时，成排树中的每一颗树被伐断并且移动到堆积区的最后部。当每颗被切断的树到达堆积区后部的最适当地方时，向前输送和支承树木的所述臂缩回，这样它就可沿着其回路连续地运动，同时下一个臂将所堆积的树木支承住。

在优选实施例中，采伐机是自推进式的，具有无底槽切割装置(curfless cutter)，并以与环绕回路运动的臂相同的速度沿这排待伐的树木向前运动。

堆积区可以三种不同的方式进行卸载。其一是，存储设备如卡车拖车可跟在采伐机后面或由其牵引，这样，当每棵被伐断的树到达堆积区的最后部时，向前推树的臂被阻止缩回，从而将树推出采伐机的后部并进入存储设备。其二是，可装满堆积区，此后，驱使所述臂将整批所堆积的树推出采伐机的后部，其三是，整体液压提升装置将堆积的树从堆积区提起。所有这三种方法都可在不干扰连续砍伐或堆积其它树木的情况下进行。

本发明公开了一种快速采伐树木的方法。所述采伐机具有广阔的用途，其可以较高的速度和产量来采伐生长中的成排树木。应用这种基本技术还可设计出各种不同尺寸和形式的采伐机。其可采伐的树木直径可高达30英寸，高度可达130英尺，或者也可采伐直径较小的树木，这取决于采伐机的类型。

附图简述

图1是本发明第一优选实施例具有旋转锯的树木采伐机的等角投影图。

图2是图1所示采伐机的侧视图。

图3是图1所示采伐机的框架和车体驱动链轮的等角投影图。

图4是图3所示框架和车体驱动链轮的顶视图。

图5是图1所示旋转锯的放大正视图。

图6A是图5所示锯片的放大正视图。

图6B是图6A所示锯片的放大顶视图。

图7是安装在图1所示实施例上的堆积臂组件的放大侧视图。

图8是本发明另一个优选实施例的堆积臂回路的顶部示意图。

图9A是用于图7所示堆积臂的液压系统的简图。

图9B是图9A所示优选液压系统的另一个阀位置的分解简图。

图10是用于图1所示实施例的优选控制检测系统的顶部简图。

图11是图7沿11-11的放大横截面图。

图12A-12D是表示采伐方法的图1所示实施例的顺序顶部视图。

图13是本发明第二优选实施例具有无底槽切割工具的树木采伐机的等角投影图。

图14是伐树时图13所示无底槽切割工具的顶视图。

图15A是将本发明的树木采伐机安装在车上的本发明第三优选实施例的侧视图。

图15B是图15A所示树木采伐机的顶视图，表示了一种用于卸下采伐机的可能方式。

图16是图13所示的框架和堆积臂驱动装置的放大等角投影图。

图17是图13所示的采伐机框架和存储车导轨的放大等角投影图。

图18是图16所示的框架和堆积臂驱动装置的侧视图。

图19A-E是图13所示实施例的顺序顶视图，表示了一种可能的采伐方法。

优选实施方案详述

图1-19E示出了用于连续采伐和堆积成排树木12的采伐机10的几种实施方式。图1-12D所示的第一优选实施例描述了一种自推进式采伐机10，其具有常规的普通旋转锯切割装置14。图13-14所示的第二优选实施例描述了一种带有无底槽切割装置140的采伐机10′。图15A-19E所示的第三优选实施例描述了一种由诸如拖拉机等车辆16所推进的采伐机10″。在这些实施例中，相同的标号代表相同的部件。实际装置可根据所生产的模型和尺寸而改变。

【第一优选实施例】

如图1和2所示，第一优选实施例的采伐机10包括框架20，框架20包括顶部22、底部24、前端26和后端28。框架20具有切割区30和从切割区30延伸到后端28的堆积区32，切割区30位于前端26最好是位于框架20的底部24。框架20最好由单个方形钢管支承件34构成，并大致为具有底部34和左、右侧部36、38的细长的矩形形状，左、右侧部从底部34垂直延伸，并在其之间限定了堆积区的宽度40。宽度40足够大以便于使伐下的大直径树木的树干垂直地竖立着从前端26通过框架至后端28，同时树木的其他部分在框架20的顶部22上方伸出。滑板42或滑动表面固定在框架20的底部24。后支承件44可转动地固定在框架20的后端28并在左、右侧部36、38之间延伸。

框架20通过已知的装置和方法自推进。一种方法是如图1所示将主履带驱动装置46安装在框架20上。驱动装置46由已知的装置提供动力，例如：带有适当驱动轴和动力传动装置(未示出)的一个或多个内燃机或柴油机48。框架20可通过已知的装置和方法控制方向，例如：通过液压控制的履带装置。

【切割装置】

如图1、5、6A和6B所示，根据采伐机的模型，切割装置14包括一个或两个平行于地面设置的水平圆锯50(这里只示出了一个锯50)。动力驱动的锯50可直接使用齿轮驱动装置或液压驱动装置。一种优选的切割装置包括一个77英寸切割直径的圆盘锯50A′它包括锯齿50B。圆盘锯50可通过普通的装置和方法驱动。例如，其可直接由发动机引出的水平驱动轴驱动并传递到固定在采伐机框架20上的直角齿轮箱54。齿轮箱54装有准双曲面角齿轮副56，齿轮副56驱动固定在锯50上的主轴58。主轴58通过两个锥形滚子轴承60固定在齿轮箱54中。

【堆积机构】

堆积机构62将呈直立状态的伐下的树63从切割区30传送到堆积区32后部的最适当的地方。堆积机构62包括靠近堆积区32的至少一个连续的封闭环形导轨64或从框架20的前端26延伸到后端28的环形回路。最好，使用图1和2所示的包括上轨64A和下轨64B的两条导轨64A、64B或者图3、4、8、10、12A-D和17所示的包括两个相对的上轨64A、64A′和两个相对的下轨64B、64B′的四条导轨64A、64A′、64B、64B′。每条导轨64A、64A′、64B、64B′最好具有四个直轨部分66，并在前端26和后端28分别带有两个圆弧部分68。直轨部分66和圆弧部分68最好由钢制成。在一个优选实施例中，导轨64A、64A′、64B、64B′是2×6×1英寸厚的C形截面槽钢。

多个可移动的带轮存储车70环绕每条导轨64A、64A′、64B、64B′运动，从而每个车70沿导轨64A、64A′、64B、64B′中的一条从切割区30运动到堆积区32的后部，然后返回到切割区30，每个车70具有可伸出/缩回的闸板72或臂并相互间隔相同的距离。每条导轨64A、64A′、64B、64B′上的车70由与车70相连的在水平面内转动的连续环形链74驱动。如图3所示，链条由带有链轮78的竖直轴76驱动和支承，链轮78可操纵地固定在采伐机框架20上。轴76与液压驱动马达(未示出)相连。如图7、8、9A和11所示，存储车70包括钢制车体80、用于推树的可枢转的钢制闸板72和带有活塞85的液压闸板位置控制缸82，在一种型式中，车体80最好是18英寸长。车70最好装有大致位于竖直平面内的轴84，并在固定于框架20的封闭环形导轨回路64上环行。最好，每台车具有钢制的车轮86。

如图1所示，所设定的每个闸板72的尺寸和形状可使其从框架的一侧(这里是左侧36)延伸到框架的相反侧(这里是右侧38)，这样，当其处于伸出位置时，就延伸穿过堆积区宽度40。最好，每块闸板72偏向其伸出位置88(图1和7)，并最好具有弹簧(未示出)。当每块闸板72不必将树木63从切割区30推向堆积区32时，闸板就处于“松驰状态”，这就意味着任何碰撞到的树木都可将闸板72推向缩回位置90。当闸板72必须推树木63时，它就被锁定在伸出位置88(图1)。闸板72的位置可通过每台车70上液压缸82中的活塞85的位置来进行控制。如图7所示，活塞85枢转式地优选由销92固定在闸板72上。

如图7、9A和9B所示，每台车的液压活塞85可通过一个独特的闭环液压缸控制系统来进行控制。该系统包括液压缸82、位于液压缸中带有活塞杆93的双向作用液压活塞85、连接液压缸82两个腔室98的液压管线95和位于液压管线95上的控制阀96。根据控制阀的位置(打开或闭合)可控制液压流体在液压活塞85任意一侧的腔室98之间的流动，从而控制液压活塞的运动。当阀96在两个腔室98之间处于闭合状态时，液压流体压力就可将液压活塞85保持在给定位置。当阀96在两个腔室98之间处于打开状态时，液压流体在腔室98之间自由流动，从而使活塞85自由运动。

可枢转的存储车闸板72通过销子92与液压活塞85和活塞杆93相连；从而可控制闸板的位置。除了用于采伐机的闸板控制系统以外，这种闭环液压控制系统还可具有潜在的应用前景。

作为采伐机10闸板控制系统的部件，存储车液压活塞控制阀96接收智能控制系统发出的信息。智能控制系统使用可根据需要而向闸板产生输出信号的可编程控制器或计算机。根据模型并如图10所示，该系统在存储车中使用大约150个位于几个层面上的红外树位置传感器100来确定堆积区32的承载度、树木的位置和树木与竖直方向的倾斜度。树位置传感器100所发出的信息由可编程控制器或计算机进行处理并传递给输出螺线管系统，该输出螺线管系统可通过杆102来驱动位于每个经过的存储车70上的液压控制阀96。当需要推树时，该控制阀96的位置可控制闸板72的位置并将其锁定。

最好由1台或2台内燃机或柴油机48来向采伐机提供动力。发动机可驱动(1)既可直接被驱动也可由液压马达进行驱动的切割装置14；(2)存储车链条驱动链轮78的液压马达；以及(3)液压转向机构。

在一个优选实施例中，由两台400马力750立方英寸的6缸柴油机48来提供动力。发动机48安装在采伐机框架20上。动力输出是通过一台具有适当传动比的标准传动装置(未示出)进行的。传动箱(未示出)与驱动液压泵的传动装置的输出端相连，以辅助驱动上述液压装置。如前所述，水平驱动轴连接在一个动力输出端向锯直接提供动力。专用泵由一台发动机驱动向驱动履带和存储车提供动力。根据发动机和采伐机工作的需要，可提供附属设备：燃料系统、电力系统、发动机控制系统等。

【使用和操作】

上面已详细描述了采伐机10的结构，下面将对其使用和工作情况进行描述。如图12A-12D所示，操作者将采伐机10沿着一排所要砍伐的树12进行定位，并将后支承件44固定在图示的关闭位置。最好，当存储车70沿其各自的导轨64A、64A′、64B、64B′运动时，采伐机也以相同的速度向前运动。最好采伐机10以高达每小时6英里的速度向前运动。如图12A所示，当采伐机10到达第一棵树时，就用锯将树锯断，同时上、下存储闸板72将处于竖直方向上的被锯断的树接住，并将其从框架20的切割区30推到堆积区32，同时树的底部沿滑板42滑动。

当采伐机10向前运动时，它就连续地以相同的方式将其它树伐断，同时已被伐断的树63向堆积区32的后部移动。当第一棵被伐断的树63’到达靠近后支承件的堆积区32的后部时，推动树63’的存储闸板72的液压控制阀96接受指令而打开。因此，闸板72进入其缩回位置90，从而使其各自的车70在其各自导轨回路64A、64A′、64B、64B＇上连续运动。这使得闸板70释放并缩回而不与堆积的树木发生干涉。树60仍由回路中接下来的存储闸板支承。当这些存储闸板遇到树木时，它们就缩回，当采伐机10沿着这排树12运动时也是这样。

当第二棵伐断的树碰到第一棵伐断的树时，推动第二棵树的存储闸板72的液压控制阀96接受指令而打开，将这两棵树堆积在位于框架20后端28的堆积区32。如图12C和12D所示，当运动的车70到达堆积区的填充部分时，计算机对树木位置传感器100的输入进行译码，并向适当位置处的输出螺线管发信号以驱动位于所通过的车上的液压控制阀96。这种操作对于每一个其它被伐断的树一直连续进行，直到堆积区32被完全充满。

当采伐机10沿这排树12向前推进时，该机构就连续地将切割装置14所伐断的树向后推到堆积区32。采伐机头部的尺寸是40英尺长、13英尺宽和11英尺高。采伐机堆积区的尺寸可以在38英尺长、30英尺宽的区域中存储多达30吨的树木。所预期的其它模式具有的存储能力为0.5-50+吨。

伐断的树63可采用两种不同的方法从采伐机10的堆积区32上卸载下。首先，操作者打开后支承件44使堆积的树木穿过框架20的后端28。然后，最靠近切割区30的存储闸板72接受指令并锁定在其伸出位置88，同时其各自的车70沿其各自的导轨回路64A、64A′、64B、64B′运动。当车70向后运动时，就可将整批堆积树木卸载下。卡车或存储车(未示出)跟着采伐机10收集这批采伐的树。

最好，如图1和2所示，当所伐断的树经过采伐机10时，采伐机从前到后向上倾斜抬起所伐断的树。因此，地面上方所堆积树木的高度104可调节到用于收集所卸下的堆积树木的卡车或存储车的高度。因此，就不需要诸如起重机这样的辅助起重设备。

另外，卡车拖车(未示出)可拖在在其打开位置具有后支承件的采伐机后面。因此，当每棵被伐断的树到达堆积区10的后部时，就一次一棵地倒在卡车拖车上。在任何方式下，堆积区10可在不与连续锯伐和堆积其它树木相干涉的情况下进行卸载。

【第二优选实施例】

如图13和14所示，第二优选实施例的采伐机10′除了包括一个无底槽切割装置140以外，它具有第一优选实施例所有的基本结构。并与第一优选实施例相同的方式进行工作和使用。

无底槽切割装置140包括两个或多个锋利的旋转盘形刀142，当树经过旋转盘形刀142时，旋转盘形刀就可通过与双盘管切割装置相同的方式剪切树木，从而将树伐断。这些盘形刀142缓慢地旋转，并通过直接驱动或用于使树木12经过刀142的采伐机的向前运动来提供动力。最好，如图14所示，切割装置140包括前、后两对分别固定在框架20的切割区30处的切割刀142A和142B。切割刀142的前面一对142A非常锋利，且其直径144小于后面的一对142B，因此，当采伐机10′碰到要采伐的树时，第一对刀142A切过树木的一部分。当采伐机沿其路径运动时，后面这对刀142B进入树木前面所切的部分，并如图所示完成整个切割工作。无底槽切割装置140不会产生锯末或锯屑。

【第三优选实施例】

图15A-19E描述了第三优选实施例。该实施例的采伐机10″包括第一和第二实施例的基本结构特征，但其安装在一辆前进的车16上，而不是自推进的车上。

如图15A所示，采伐机10″包括框架20，框架20具有与第一优选实施例相同的结构特征，且相同的部件具有相同的标号。框架10支承在左、右履带(图15B中的150、152)上，并在其后端28具有车安装部分154。采伐机10″可操纵地固定在车16上，因此，车16可沿着这排所要伐断的树12推动或拉动采伐机10″。

可以与第一和第二实施例的采伐机10、10’相同的方式来使用和操纵采伐机10″。如图19A-19E所示，车16沿着这排所要伐断的树12推着采伐机10″向前运动。当每棵树被伐断时，存储闸板72就将其支承并推到框架20的后端28。对于该实施例，需要使用可枢转地安装在车16上的抓臂160来卸下所堆积的树木。如图15A和15B所示，抓臂160抓取所堆积的树木，将它们从采伐机10″的堆积区32提起并转到一侧(这里是右侧163)以便将其放到收集装置或类似的装置中。在不与连续砍伐和堆积其它树木的过程相干涉的情况下就可卸下所堆积的树木。

在不脱离本发明实质的情况下可作出各种不同的变型，显然，上述对实施例的详细描述仅仅是示意性的，而不是限制性的。本发明所要求保护的包括所有的这些变型，它们都包含在本发明权利要求书的范围内。

Claims (15)

1．一种可连续地砍伐和堆积树木的树木采伐机，其包括：一个细长的框架，所述框架具有一个切割区和一个细长的堆积区；

可操纵地安装在所述框架的切割区处的树木伐断装置；

安装在所述框架上的细长的连续导轨，该连续导轨从所述切割区延伸到所述堆积区的后部；

可操纵地安装在所述导轨上的多个树木堆积臂，每个臂可沿着连续导轨从所述切割区运动到所述堆积区的所述后部，从而将伐断装置所伐断的树木推进到所述框架的最后部。

2．根据权利要求1所述的树木采伐机，其特征在于，所述臂可枢转地安装在存储车上，所述存储车可操纵地安装在导轨上。

3．根据权利要求2所述的树木采伐机，其特征在于，所述臂具有一个伸出位置和一个缩回位置，且所述臂在伸出位置推进所伐断的树，而在缩回位置则让所伐断的树通过。

4．根据权利要求3所述的树木采伐机，其特征在于，所述臂是通过液压系统液压驱动的，所述液压系统包括液压缸、活塞和液压管线，所述活塞确定了两个液压腔，所述液压管线在两个液压腔之间延伸；

可操纵地安装在所述液压管线中的控制阀，它具有开启位置和闭合位置，在其开启位置时，液压流体可自由地在所述液压腔之间的所述液压管线中流动，从而使活塞在所述液压缸内自由运动，而在其闭合位置时，液压流体不能在所述液压腔之间流动，从而使所述活塞保持在一个位置上固定不动。

5．根据权利要求4所述的树木采伐机，其特征在于，所述臂偏向其缩回位置。

6．根据权利要求5所述的树木采伐机，其还包括用于检测堆积区中所堆积树木体积容量的传感器和用于根据所检测的堆积区中所堆积树木体积容量来使每个臂的控制阀进行动作的控制系统。

7．根据权利要求1所述的树木采伐机，其特征在于，所述树木伐断装置是圆锯。

8．根据权利要求1所述的树木采伐机，其特征在于，所述树木伐断装置是无底槽切割装置，其具有多个锋利的旋转盘形刀。

9．根据权利要求1所述的树木采伐机，其特征在于，还包括用于使框架沿这排树前进的推进装置。

10．根据权利要求9所述的树木采伐机，其特征在于，所述推进装置包括固定在框架上的推进系统。

11．根据权利要求9所述的树木采伐机，其特征在于，所述推进装置包括将采伐机连接在自推进车辆上。

12．一种利用采伐机对一排树同时进行砍伐和堆积的方法，所述采伐机具有一个细长的框架，并具有一个细长的堆积区，所述框架在前部切割区具有切割装置；所述方法包括：

将采伐机的切割区定位在这排树中的第一棵树处；

使采伐机沿这排树前进；

在采伐机的切割区将第一棵树伐断，同时采伐机沿着这排树向这排树中的第二棵树继续前进；

将第一棵树支承在其直立位置，同时将其推到堆积区，并使采伐机沿着这排树向这排树中的第二棵树继续前进；

在采伐机的切割区将第二棵树伐断，同时在堆积区内将第一棵树支承在其直立位置，并使采伐机沿着这排树向这排树中的第三棵树继续前进；

将第二棵树支承在其直立位置，同时将其推到堆积区，在堆积区内将第一棵树支承在其直立位置，并使采伐机沿着这排树向第三棵树继续前进，这样，在采伐机沿这排树前进的同时，在不使采伐机减速或停下的情况下就可同步地进行砍伐和堆积。

13．根据权利要求12所述的同时砍伐和堆积树木的方法，其特征在于，还包括：在采伐机沿这排树前进的同时将所堆积的树木从堆积区卸下。

14．根据权利要求13所述的同时砍伐和堆积树木的方法，其特征在于，所述的伐断使用无底槽切割装置。

15．根据权利要求14所述的同时砍伐和堆积树木的方法，其特征在于，所述的推进是利用安装在导轨上的可缩回的臂进行的，所述导轨从切割区延伸到堆积区。

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